PLC顺序功能图的梯形图编程模块化规范研究

车健生 吴雪霏

（沈阳现代制造服务学校 辽宁省沈阳市 110148）

随着顺序功能图在PLC梯形图中的广泛应用，“以经验法为主的设计方法存在设计周期长，不易掌握，程序可读性差”[1]等问题有了很大缓解。但对于一个中大型PLC编程设计，顺序功能图的梯形图编程也暴露出一些问题。如与经验法比较上手容易，但程序代码数量大多超过后者。转换条件与输出状态混在一个SCR—SCRE嵌套中，条理不够清楚；步的转换条件、输出状态语句数量随着步的复杂程度而变化，引起程序个别点处臃肿，整体不均匀。这些都会造成顺序功能图结构不清晰，直观性、可读性受到严重影响。把一个程序分解为若干个子程序，是解决这个问题的一个重要途径，“运用函数”或子程序“是程序的首要组织手段”，它给程序“带来更好的可读性、可维护性和可重用性”[2]。将一个大程序按照一定的规范分解为若干小程序模块，称之为模块化设计，显然，这个规范的合理性、可操作性是重中之重。

1 顺序功能图的三种基本结构

在计算机科学发展史上，结构化程序设计的出现是一个里程碑的事件，结构化程序设计最基本原则是：任何程序都可以由三种基本流程结构构成，即顺序结构、分支结构和循环结构。在PLC编程发展史，顺序功能图（SFC）能够脱颖而出、备受关注，也在于它关注程序的结构。顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和输出状态组成。将系统工作过程划分成若干顺序相连的、由被控对象工作状态变化所决定的步；步的活动状态的转换由转换条件来实现。这是顺序功能图的“形”，它的“神”是PLC程序设计由此实现了把所有程序看作是由单序列、选择序列和并列序列三种基本结构组成的，如图1、图2和图3所示。一定程度上有效地避免经验设计法中的试探性和随意性，提高程序的可读性和可维护性。

如果一个梯形图编程模块化规范能够涵盖这三种基本结构，那么这个规范就是完备的。以下模块化规范的构建均是在讨论这三种基本结构的基础上，此外，规范仍然要保持梯形图编程直观性的特点。

2 顺序功能图的梯形图实现的主程序规范

顺序功能图用梯形图编程实现一般有三种方法，一是使用启保停电路的顺序控制设计方法；二是使用SCR指令的顺序控制设计方法；三是使用计数变量的顺序控制设计方法[3]。其中，方法一在一个网络中描述一个步，当某个转换条件或状态输出繁多时，这个网络就会臃肿复杂；方法二由于有些PLC没有专用的SCR顺序控制继电器而有所受限，同时SCR、SCRE对于每一“步”都要占用两个网络的开销；方法三对于表达并列顺序功能图，通过一个计数变量描述所有步，计数变量某一时刻的值对应活动步编号，这对并列顺序功能图同时存在两个以上活动步的编程是有欠缺的，如果强行合并并列步为一步，会破坏顺序功能图的条理性。

在总结上述三种方法优点基础上，本规范主程序，用Mx.y位存储器依次表示顺序步，Mx.y位存储器值为1时，对应的步为活动步。每一步占用一个网络，均由调用转换条件子程序SBR_i和调用输出状态子程序Output_State两条指令组成（以上x,y分别为字节与位编号，i为子程序序号），图2选择序列顺序功能图的主程序如图4。

图1：单序列

图2：选择序列

图3：并列序列

图4：选择序列主程序片段

图5：分支点步转换条件子程序SBR_0

图6：并列步转换条件子程序SBR_0

图7：接收状态位组数据子程序片段

图8：数字字符串转数组部分梯形图

调用转换条件子程序指令有着相同的结构，以SBR_0为例，左边输入端Current联结当前步M0.0，右边输出端Forward联结去向步M0.1 和步M0.4，指令盒清楚地表明顺序功能图中步转换的来龙去脉。主程序注重的是程序主体流程脉络，不去关注子程序具体的实现过程。本规范对顺序功能图的梯形图编程模块化处理具有主次清楚、层次分明的特点。

3 顺序功能图的梯形图实现的条件转换子程序规范

规范中，每个条件转换子程序都由条件逻辑触发目标步状态寄存器，接着复位当前活动步状态寄存器两部分指令构成。转换条件满足时，对目标步状态位置1，并且对当前步状态位清0，从而完成当前步到目标步活动状态的转变。图2选择序列分支点与图3并列序列并列节点对应的转换条件子程序SBR_0 分别如图5和图6所示。

在条件转换子程序中Current变量类型设置为IN_OUT，Forward变量类型设置为OUT，这样子程序能接收主程序调用时传递的步状态位值，也能在转换条件结束时传达出当前活动状态停止的信息。子程序与主程序只在这两个通道上发生数据交换，实现了子程序与主程序的完全隔离。子程序可随意使用局部变量，而不用顾及与主程序中变量重名、冲突等问题。如果条件相同，条件转换子程序可以通用，被不同步所调用，例如图1的顺序功能图的梯形图中SBR_0与SBR_2是相同的，可只保留一个，从而提高了条件转换子程序模块的复用性。

图9

4 顺序功能图的梯形图实现的状态输出通用子程序

顺序功能图每步输出状态虽然无外乎Q位寄存器串并联的组合，每步均有，个别处数量庞大且无序，影响顺序功能图结构性和可读性。这个看似错综复杂的问题可以用一个描写每步输出状态的数组，加上一个数组上运行的通用程序予以处理。

顺序功能图画出之前，一般先列出系统输入输出状态表，状态表用来确定顺序功能图的每一步，以及每一步的输出状态。状态表中的输出状态可在程序初始化时存入一个二维数组，数组是以步编号为行号，将步状态中位对应数组元素，每步状态全部位对应数组的一行。活动步输出状态时，以当前步编号为行号，在数组中提取一行数组数据，输出给Q字节、字或双字寄存器。程序由下面几个部分组成。

4.1 步状态数字字符串初始化

本程序以每一步输出状态为步序号的ASCII二进制数为例，如图7所示。数组初始化程序以直观、常规方法接收状态数据，先是利用STR_CPY指令接收第一串数字字符串，然后再通过STR_CAT附加第二行、第三行、……字符串。不失一般性地约定：数据之间用逗号加空格隔开，第二行开始，追加数据以逗号开头。习惯上一行数据表示一个步状态，但也可由多个指令完成。程序假定占用VB2000开始的单元（建议使用高端不常用地址），用于以数字字符串形式保存这批状态位数据。

4.2 步状态数字字符串转存二维数组及数组基本管理

数字字符串转存数组，主要过程是在循环控制指令FOR，利用字符串转换整数指令S_I，对数字字符串进行整数转换操作；通过字符搜索指令CHR_FIND，依次推进搜索逗号，把逗号位置赋给AC0，从下一位置开始字符串转换整数操作，结果保存在AC1中，然后存入指定的数组元素中。主要程序片段如图8。

对于无数组体系的PLC，如S7-200系列等可按下面方式进行数组的访问。本研究约定二维数组是以行优先的一维数组方式进行的存储，二维下标[i, j]对应的一维下标[ (i-1)*列总数+j ]，对于元素以字节单元存储，某个一维下标也就是这个元素的相对地址（相对数组第1个元素前的位置），从而实现对二维数组元素的访问。下文中涉及的二维数组元素读取子程序ARRARY2D_B_out就可以按照这样原理进行设计。

4.3 步状态二维数组中活动步状态输出程序

每个步诸多Q位存储器的值占用1行数组元素，Q位的低位到高位排列对应数组列号的低到高。步状态二维数组中活动步状态提取程序Output_State把每行数组元素组合一个字节、字或双字，作为函数值返回。本文以输出字节为例，对于指定步状态编号State_num，程序中循环从起始列号到终止列号，也就是从左到右，依次读取数组元素ARRAY[State_num, Column_int]，对元素值与1进行比较，等于1时，使用左移位SHL_B指令生成1个以元素列号对应位为1，其它位为0的字节QB_bit；通过逻辑或WOR_B指令把上面的QB_bit累计到输出状态字节Output_B中。行号为State_num的一行元素依次处理完毕后，字节Output_B就已存放了这步的输出状态，以其作为本子程序的返回值。程序核心部分清单如图9。

5 结束语

程序基于早期S7-200系列PLC，全部通过上机验证。上述顺序功能图的梯形图实现模块化规范，无论是整体，还是主程序和子程序都保持梯形图的立身之本——直观性，延续了顺序功能图成功之基——结构化设计。一个大中型项目往往需要多人合作完成，规范化、模块化的设计有助于分工协作开发程序。模块化后，程序断点容易确定，使得调试程序更为方便，提高了程序可靠性。模块化的设计，对于相关相似的不同项目，使得开发者只需关注修改不同点的模块，提高了程序开发的复用性。在PLC顺序功能图设计思想广泛应用的今天，实现顺序功能图设计的梯形图编程模块化规范，对顺序功能设计的深入发展具有一定的积极作用。